新型隔热涂层对发动机性能的影响

王斌，贾德民，孙楠楠，齐少豹，石磊

摘要： 在发动机上采用隔热技术可以减少传热量，降低热损失，提高热效率，提高发动机的排气能量。对一种新型的隔热涂层——低导热系数、低热容隔热涂层进行了研究，研究发现，将该种新型隔热涂层喷涂于活塞壁面后，活塞壁面温度随缸内气体温度的变化而变化，即膨胀冲程随缸内温度升高而升高，进气冲程随缸内温度降低而降低，该属性有效减少了壁面传热且避免了进气加热。在一台重型发动机上使用新型涂层活塞对发动机的性能进行仿真试验研究，发现具有一定材料属性且合适厚度的新型隔热涂层可以减少活塞的传热量，提高发动机的热效率和排气能量。

关键词： 发动机；隔热涂层；传热；热效率

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.004

中图分类号：TK124文献标志码： B文章编号： 1001-２２２２（２０24）０3-００25-０5

采用隔热技术可以减少缸内热量的散失，提高发动机热效率和排气能量，降低冷却系统的负担。从20世纪80年代起，学者开始对发动机隔热技术进行研究［1-3］，主要采用陶瓷基高耐热材料，这种材料具备低导热系数、高比热容的特性。研究表明，该种形式的涂层对降低传热以及提高排气温度起到了积极作用，但在发动机工作过程中，由于陶瓷的比热容大，导致涂层的壁面始终保持在高温状态，因此，在进气冲程中易造成进气加热，进气量减少、缸内温度升高，并未起到传热减少，热效率提高的效果，反而恶化了相关性能。近年来随着法规对油耗和排放要求的日趋严格，隔热技术也愈发体现其重要性。研究表明，基于氧化锆的低密度新型涂层材料可以实现良好的隔热效果，相对于传统的陶瓷隔热涂层，这种新型的隔热涂层导热系数由10 W/（m·K）降低至2 W/（m·K）以内，比热容由2 000 J/（kg·K）降低至800  J/（kg·K）以内［4-5］。

本研究对这一低热容、低导热系数的新型隔热涂层进行了研究，该隔热涂层壁面温度随缸内气体温度的变化而变化，隔热涂层表面与缸内气体的温差始终较小，可以减少传热量；同时，由于涂层壁面温度随缸内温度变化快，进气冲程时，隔热涂层壁面温度较低，对进气影响较小。因此，相对于低导热系数、高比热容的隔热涂层，本研究中的低导热系数、低比热容新型隔热涂层具有更大优势。本研究采用仿真和试验相结合的方法研究了新型隔热涂层的传热特性以及对发动机缸内传热以及性能的影响。

1新型隔热涂层

发动机活塞材料一般为铝或钢等金属，这些金属材料一般导热系数大、比热容小，热量传递较快，因此，在发动机运行稳定后，活塞一般稳定在较低的温度。传统的隔热涂层一般采用低导热系数、高比热容的材料，缸内向外传热较少，在发动机工作过程中，涂层壁面始终保持较高的温度，远高于进气温度［6］。而本研究中所研究的新型隔热涂层，具有低导热系数、低比热容［7］的特性，在发动机工作过程中，隔热涂层壁面温度随缸内气体温度波动，且波动趋势相同，因此，隔热涂层壁面与缸内气体温差较小，同样可实现减小缸内热量传递的目标，且导热系数和比热容越小，温度波动趋势越明显，温差越小，越有利于减少传热，如式（1）传热公式所示［8］；并且使用该种形式的隔热涂层，进气冲程时隔热涂层壁面温度较低，不会影响到发动机的进气［9-10］，这也是该涂层的另外一个优势。由式（2）及式（3）可知，要实现低导热系数、低比热容的材料属性，则需该涂层材料密度小［11］。

Q=hA（Tgas-Twall）。（1）

式中：Q为热流密度；h为传热系数；A为传热面积；Tgas为缸内气体温度；Twall为隔热涂层壁面温度。

k=ρ·c·α。（2）

式中：k为导热系数；ρ为密度；C为比热容。

cv=ρ·c。（3）

式中： cv为体积比热容。

2新型隔热涂层仿真计算

为研究新型隔热涂层对活塞壁面温度、传热量、进气量及燃油消耗率的影响，本研究对某一重型发动机采用CFD仿真的方法，运用Converge软件对不同材料属性、不同厚度的涂层进行了仿真研究。发动机参数如表1所示。

2.1涂层材料属性计算研究

图1示出2种新型涂层的材料属性，涂层2的导热系数和比热容均小于涂层1。采用CFD计算软件Converge在最低油耗点1 000 r/min，1 400 N·m对发动机进行燃烧仿真计算，研究其在工作过程中的传热规律，并对两种涂层活塞进行对比。在最低油耗点循环喷油量为175 mg，喷射压力为120 MPa。为提高计算效率，对进气门关闭到排气门打开之间的压缩-膨胀过程进行计算，有限元计算模型如图2所示。燃烧模型采用SAGE模型，该模型可以很好地与化学反应机理进行耦合，考虑到柴油机在活塞运动过程的涡流状况，湍流模型采用RNG k-ε模型，采用KH-RT模型来模拟油束的一次破碎和二次破碎，油滴的蒸发模型采用Frossling模型。首先采用上述模型对原活塞三维燃烧模型进行标定，缸压标定结果如图3所示。由图3可知，仿真值和试验值吻合良好，在压缩阶段，缸内压力的仿真结果和试验结果完全重合；在燃烧阶段，缸压基本重合，最高燃烧压力值及其所对应的曲轴转角误差在2%以内。因此，可以基于当前的标定参数进行后续涂层的仿真计算和对比。

基于上述的标定参数，对配置涂层活塞1和涂层活塞2的燃烧系统进行仿真计算，并与原活塞进行对比。图4示出缸内气体平均温度及活塞壁面平均温度随曲轴转角的变化。由图4可知，随着缸内气体的压缩、燃烧、膨胀，缸内气体的温度先升高后降低。原活塞温度基本保持不变，涂层活塞1和涂层活塞2壁面温度随缸内气体温度的变化而变化，且涂层活塞2壁面温度的波动更大，与缸内气体的温差更小。这是由于普通活塞的材料为金属，导热系数大，传热速度快，因此活塞的表面温度可以迅速地达到平衡；而涂层导热系数小、比热容小的特性，使得涂层活塞表面在吸收缸内气体的热量后温度急剧变化，呈现出波浪式的变化，即随缸内气体温度的升高而升高，降低而降低，从而造成涂层壁面温度与缸内气体温度始终保持较小的温差。由传热学中的对流传热公式（式（1））可知，涂层活塞2的壁面传热量更小。

图5示出活塞壁面传热量随曲轴转角的变化。涂层活塞1、涂层活塞2的传热量均小于原活塞，且涂层活塞2的传热量最小，较原机降低了182 J，验证了前文所述。图4和图5示出的计算结果表明，低导热系数、低比热容的涂层特性有利于缸内热量传递的减少，对发动机起到隔热的作用，并且导热系数、比热容越小，这种特性越明显。

为了更好地呈现活塞壁面温度的变化，图6和图7示出了原活塞与涂层活塞2的温度场和热流密度云图对比情况。由图6可知，原活塞在工作过程中整个活塞壁面温度始终稳定，并且温度较低；而涂层活塞2温度波动大，上止点前10°最高温度为1 018 K，上止点后10°最高温度2 565 K，上止点后20°最高温度2 462 K，呈现出活塞壁面温度先升高后降低的波浪式变化趋势，并且活塞壁面上的高温区域是油束落点区域以及油束扩散燃烧区域，这与缸内气体的高温区域相一致，这也进一步说明涂层活塞的温度随缸内温度成一致性变化，可以体现在燃烧室具体的几何空间位置上，这一结果与图4平均计算结果相一致。由图7可知，涂层活塞2的壁面热流密度低于原活塞，并且热流密度数值分布情况与缸内燃烧情况相一致，与图5平均值计算相对应。

表2列出了活塞传热量以及发动机的性能指标燃烧效率和指示热效率的对比。通过表2对比可知，原机活塞、涂层活塞1和涂层活塞2的燃烧效率相同，均为99.3%，但是涂层活塞2相对于原活塞，热量传递减少182 J，指示热效率提高0.7%。通过表2中的数据对比说明，涂层不会影响发动机的燃烧效率，而只是把减少的热量损失一部分为转化为有效功，提高发动机的热效率，另外一部分储存在排气中，提高发动机的排气能量。

2.2涂层厚度计算研究

前文的计算确定了涂层2的性能优于涂层1，本节将基于涂层2研究活塞不同涂层厚度对发动机性能的影响，进而选择出合适的厚度。受热膨胀的影响，涂层厚度过大将容易造成脱落，根据前人的研究经验［6］，活塞的涂层应控制在0.4 mm以内。

图8示出缸内气体温度及不同涂层厚度活塞的壁面温度随曲轴转角的变化。从图8可见，随着涂层厚度的增加，壁面温度的波动变化更加迅速，壁面温度与缸内气体温度的温差更小。根据傅里叶热传导计算公式可知，物体的厚度越大，热阻越大，热传导能力越差，即导热系数越小；在比热容一定的情况下，导热系数越小，温度波动越大。因此，在其他条件一定的情况下，涂层厚度越大，热流密度越小，传热量越小。

图9示出不同涂层厚度活塞壁面传热量随曲轴转角的变化，随着涂层厚度的增加，壁面传热量减少，这也与图8中的温度变化相对应，与傅里叶热传导理论相一致。

通过对不同涂层和涂层厚度的研究，最终确定选用0.4 mm的涂层，作为下一步试验研究和验证的对象。

3新型隔热涂层试验研究

为验证前述仿真结果的准确性与可靠性，对涂层活塞1和涂层活塞2进行了零部件热试验和整机性能试验。

3.1涂层活塞零部件试验研究

图10和图11分别示出涂层活塞1和涂层活塞2试验样件。为验证前述两种涂层活塞壁面温度的变化趋势，进而确定仿真的有效性，对涂层活塞壁面进行了测温试验。图12示出活塞测温试验台。首先通过天然气热炉对活塞燃烧室加热150 s，然后通过冷却水冷却150 s，在整个过程中通过热电偶测量如图13所示的测温点的温度随时间的变化，多次测量取平均值。

图14示出测量点的温度随时间的变化。对比可知，涂层活塞1和涂层2活塞在加热阶段温度逐渐升高，在冷却阶段的温度快速下降，并且涂层活塞2温度升高和降低的速度均比涂层活塞1快。试验结果与仿真计算结果相一致，即低导热系数、低比热容的涂层壁面温度随外界的变化而变化，也验证了导热系数和比热容越小，温度变化越快的结论。

3.2涂层活塞整机试验研究

在仿真工况点，即1 000 r/min，1 400 N·m工况下，针对原机活塞、涂层活塞1和涂层活塞2进行了整机性能对比验证。在试验过程中保证发动机的电控参数保持不变，且机油压力、水温以及进气压力等发动机的运行边界一致。表3列出了涂层活塞1、涂层活塞2相对于原机活塞的试验对比差值。试验结果表明，新型的隔热涂层可以在不影响进气的情况下有效提高发动机的热效率，减少传热，提高发动机排气能量。该试验进一步验证了仿真计算的结果。

4结论

a） 低导热系数、低比热容新型隔热涂层可以减小缸内气体与活塞壁面的温度差，从而有效减少传热量，提高发动机的热效率，且导热系数越低、比热容越小，效果越明显；

b） 相对于传统的隔热涂层，低导热系数、低比热容新型隔热涂层，在进气冲程壁面温度较低，不会产生进气加热问题，从而避免了由于进气加热而造成的进气量减少。

参考文献：

［1］黄明卿.隔热发动机［J］.建材工业信息，1982，3（31）：14.

［2］薛福连.陶瓷发动机［J］.河北陶瓷，2001，31（3）：18.

［3］白敏丽，陈家桦，周海.隔热发动机表面瞬态传热的实验研究与解析计算［J］.内燃机工程，1995，16（4）：20-25.

［4］山下亲典.发动机燃烧室隔热技术的发展与展望［J］.发展动向，2021，4（4）：25-28.

［5］杨继雅.高强化隔热柴油机燃烧过程的模拟研究［D］.大连：大连理工大学，2022.

［6］Hidemasa Kosaka，Yoshifumi Wakisaka，Yoshihiro No-mura，et al.Concept of "Temperature Swing Heat Insulation" in Combustion Chamber Walls， and Appropriate Thermo-Physical Properties for Heat Insulation Coat［J］.SAE Internatioanl，2013，274（1）：143-149.

［7］Yoshifumi Wakisaka，Minaji Inayoshi，Kenji Fukui，et al.Reduction of Heat Loss and Improvement of Thermal Efficiency by Application of "Temperature Swing" Insulation to Direct-Injection Diesel Engines［J］.SAE Internatioanl，2016，661（1）：1449-1459.

［8］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［9］王建昕，帅石金.汽车发动机原理［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［10］刘圣华，周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2017.

［11］Kenji Fukui，Yoshifumi Wakisaka，Kazuaki Nishikawa，et al.Development of Temperature Measurement Technique for Combustion Chamber Surface and Verification of Temperature Swing Concept［J］ .SAE Internatioanl，2016，675（1）：1886-1898.Effect of New Thermal Insulation Coating on Engine Performance

WANG Bin，JIA Demin，SUN Nannan，QI Shaobao，SHI Lei

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang261061，China）

Abstract： The application of adiabatic technology to engine can reduce heat transfer and heat loss and improve thermal efficiency and engine exhaust energy. A new thermal insulation coating was studied， which had low thermal conductivity and low thermal capacity. The proposed coating was sprayed on the piston wall surface， and the wall temperature changed with the in-cylinder gas temperature， which increased during the expansion stroke and decreased during the intake stroke. This property effectively reduced the heat transfer of wall and avoided the heating of intake air. Then the simulation test study were conducted on a heavy-duty engine by using the new coated piston， which indicated that the new thermal insulation coating with appropriate thickness could effectively reduce the heat transfer of piston and improve the thermal efficiency and exhaust energy of engine.

Key words： engine;thermal insulation coating;heat transfer;thermal efficiency

［编辑： 姜晓博］